Plateformes communes pour les systèmes de vision industrielle

2nd September 2019
Posted By : Victoria Chercasova
Plateformes communes pour les systèmes de vision industrielle

L'amélioration de qualité et l'augmentation de productivité que procurent les systèmes de vision industrielle, sont un facteur clé du développement d'Industry 4.0 et de l'Internet industriel des objets.

Les contraintes imposées aux systèmes de traitement d’images ont évolué au fil du temps, tout comme celles imposées aux capteurs d'images qu’ils utilisent ; ce qui au bout du compte s’est traduit par une grande diversité de caractéristiques et de capacités des capteurs développés pour les différentes applications de traitement d'images. Les utilisateurs finaux sont toujours à la recherche de la "caméra idéale" qui conviendra le mieux à leur application :  assez de pixels pour bien résoudre les objets (sans surcharger l’infrastructure réseau), assez de bande passante pour que la caméra ne soit pas le goulot d'étranglement du système (sans être sur-spécifiée pour autant), assez de sensibilité à la lumière pour figer le mouvement avec des temps d'exposition courts, une taille compacte pour pouvoir être installée n’importe où, et bien d’autres choses encore.  Mais étant donné que les besoins des applications d'imagerie varient souvent d'une installation à l'autre, les fabricants de caméras doivent développer, stocker et assurer le support d’un large éventail de caméras différentes, chacune pouvant être basée sur un capteur d'images différent.

Si cette diversité permet de fournir aux clients finaux un système d'imagerie parfaitement adapté à leur application, elle impose un pression considérable sur les fabricants de caméras, qui doivent développer et maintenir des caméras pour un large éventail de familles et de variantes de capteurs d'images. Sans une gestion scrupuleuse, cette fragmentation consomme des ressources et peut retarder le développement de nouvelles lignes de caméras, et ainsi empêcher les clients finaux de profiter de certains progrès technologiques dans les meilleurs délais. Au bout du compte, cela peut avoir un impact sur l'introduction de nouvelles solutions dans le secteur industriel, en retardant le développement de certains systèmes de vision industrielle et l’accès aux bénéfices qu'ils pourraient apporter.

Diversité en vision industrielle

Le besoin d’un grand nombre de solutions d'imagerie différentes découle directement de l'alignement étroit des performances du système de vision industrielle avec l’application cible ; tandis que le poids accordé à des paramètres comme la résolution, la bande passante, la sensibilité à la lumière, etc. peut varier d'une application à l’autre.  Par exemple, un certain type d'inspection automatique peut donner la priorité à la résolution d’image, tandis qu'un autre peut donner la priorité à une dynamique élevée, même si chaque type d'inspection doit assurer la précision des mesures et la qualité des décisions prises. La sensibilité globale à la lumière peut être critique dans certains cas où l'éclairage n’est pas totalement sous contrôle. Alors que d'autres applications peuvent nécessiter une certaine sensibilité dans des bandes spectrales spécifiques, comme l’infrarouge proche ou l'ultraviolet.  Et dans certaines applications, comme des lignes de production par exemple, le maintien d'une fréquence de trame minimale peut être essentiel pour garantir que le système de vision industrielle ne soit pas un goulot d'étranglement dans l'ensemble du flux de production.  Ces différentes exigences doivent être évaluées indépendamment, puis optimisées pour chaque utilisation finale spécifique (Figure 1).

 

Figure 1 : Equilibrer les besoins de l'application et les caractéristiques du capteur d'images

Si l’on peut penser que, pour chaque paramètre, "plus" est toujours synonyme de "mieux", en pratique plusieurs de ces paramètres sont interdépendants.  Une résolution supérieure ralentit la fréquence d'images, à moins que d’autres modifications du capteur ne permettent d’élargir sa bande passante ; ce qui au passage augmentera la puissance nécessaire au dispositif.  En outre, le fait de disposer d’une imagerie "plus" performante n'est pas toujours bénéfique pour l'ensemble du système, car une résolution ou une fréquence d'images sur-performante peut engorger les ressources réseau. En fin de compte, une approche équilibrée est indispensable au développement et à l'optimisation d'un système d'imagerie.

En outre, les besoins des systèmes de vision industrielle ne cessent d'évoluer, d'où la nécessité de développer des technologies supplémentaires.  Des architectures à faible bruit sont nécessaires pour étendre la plage dynamique linéaire permettant de capturer des scènes à fort contraste.  L'imagerie de profondeur est nécessaire non seulement aux machines "pick-and-place" de placement de composants électroniques, mais aussi pour assurer la caractérisation et la mesure de volume dans les systèmes logistiques automatisés.  L'imagerie multi-spectrale et hyper-spectrale autorise un niveau inédit de tri automatisé. Chacune de ces technologies émergentes ajoute un niveau de complexité supplémentaire au développement de caméras pour ce marché.

Adopter la meilleure approche

Compte tenu de la grande diversité des besoins de performance sur le marché de la vision industrielle, les fabricants de caméras sont confrontés à un défi :  comment développer une offre de caméras, tout en minimisant les efforts et les dépenses de développement, et en réduisant le "time-to-market" (délai de commercialisation).  Une approche évidente consiste à développer des caméras par plateforme, en "modularisant" les différentes fonctions des caméras, comme l'interface de sortie (GigE, Camera Link, CoaXpress, USB, etc.) pour permettre un déploiement facile.  Mais pour avoir un réel impact, cette approche de plateformes doit aller jusqu’au niveau du capteur d'images, en permettant à l'électronique de caméra de supporter différents capteurs d'images, avec notamment des résolutions, des bandes passantes, et des nombres de pixels différents. 

Figure 2 : Support de plusieurs modèles de caméras utilisant des capteurs d'images basés sur une plateforme commune

La Figure 2 illustre comment une telle approche de conception de capteur d'images intégré fonctionne en pratique. Plutôt que de nécessiter une conception de caméra distincte pour chaque capteur d'images (en haut), la famille de capteurs PYTHON d'ON Semiconductor (au milieu) permet à un même type de caméra de supporter des résolutions allant du VGA jusqu’à 25 mégapixels, tout en gérant des options supplémentaires comme des sensibilités spectrales différentes et des bandes passantes différentes.  Les fabricants qui développent des caméras avec cette famille de capteurs d'images peuvent minimiser leurs coûts de développement, maîtriser leurs stocks, et accélérer la commercialisation de leurs produits.

La nouvelle plateforme X-Class d’ON Semiconductor (en bas) étend cette fonctionnalité en prenant en charge non seulement plusieurs résolutions, plusieurs sensibilités spectrales et plusieurs classes de vitesse, mais aussi différentes fonctionnalités de pixels, telles que les pixels à obturation globale ou les pixels à obturation déroulante, la dynamique étendue, le faible bruit, etc. Etant donné que tous les membres de cette plateforme ont en commun un capteur d'images à large bande passante et faible consommation, les fabricants de caméras qui l’utilisent peuvent en tirer profit pour proposer une gamme complète de caméras couvrant différentes résolutions, différentes sensibilités spectrales et différentes fonctionnalités de pixels.

Par exemple, les deux premiers dispositifs de la plateforme X-Class sont basés sur le capteur XGS 3,2 µm Global Shutter (obturateur global).  Le XGS 8000 offre une résolution 4K / UHD (4096 x 2160 pixels) jusqu'à 130 fps (frames per second, ou images/seconde), tandis que le XGS 12000 à 12 mégapixels (4096 x 3072 pixels) fonctionne jusqu’à 90 fps. Ces dispositifs sont logés dans un boîtier compact qui, associé à la faible consommation de la plateforme X-Class, permet le développement de caméras compactes de seulement 29 x 29 mm2, une caractéristique qui devient critique avec l'adoption des systèmes d'imagerie intégrés.  Les deux résolutions sont disponibles avec différentes classes de vitesse de sortie correspondant aux interfaces de caméra les plus courantes, ce qui permet de réduire le budget consommation (et le coût du dispositif) de la caméra pour les applications qui ne nécessitent par un support natif de toute la bande passante par la plateforme. 

Dispositif

Résolution

Vitesse

Images/s

Consommation

Commentaire

XGS 8000

4096 x 2160

(4k / UHD)

Élevée

130

~1.0W

Capture vidéo rapide

Faible

75

<0.85W

XGS 12000

4096 x 3072

(12 Mp)

Élevée

90

~1.0W

Utilise intégralement l'interface 10GigE

Faible

27

<0.7W

Alignement sur l'interface USB 3.0

La similarités inhérentes au sein de à la plateforme X-Class permet aux fabricants de caméras qui utilisent les XGS 8000 et XGS 12000 dans leurs produits, de supporter non seulement ces deux dispositifs, mais aussi d’autres à venir, basés sur le pixel XGS 3,2 µm ou sur d’autres pixels qui pourront d’ici là être proposés sur cette plateforme.  Cela simplifie grandement le travail des fabricants pour développer une gamme complète de caméras de pointe adaptées non seulement à la vision industrielle, mais aussi à d’autres applications comme les systèmes de transport intelligents (ITS pour Intelligent Transport System en anglais) ou le marché de la télédiffusion.

Feuille de route multi-générations

La prise en charge de ce type de polyvalence inhérente, non seulement en termes de résolution, mais aussi de sensibilité aux couleurs, de débit de sortie, de fonctionnalités de pixels, etc. reflète toute la puissance d'une approche de plateforme de capteurs d'images, qui permettra à des caméras conçues aujourd'hui d'être utilisées dans des produits de demain offrant de nouvelles fonctionnalités.  Comme évoqué plus haut, cela devient critique au fur et à mesure de l’évolution des besoins de la vision industrielle et d'autres applications, qui vont au delà d’un simple nombre supérieur de pixels et d’un simple nombre d’images par seconde plus élevé.  Certains aspects, comme l'amélioration des performances globales d'obturateur ou de plage dynamique, le développement de fonctions telles que l'imagerie hyper-spectrale ou la détection de profondeur, ou encore le besoin d’interface rapide et transparente avec les IA (système d'intelligence artificielle), justifient l’évolution permanente des fonctionnalités des capteurs d'images, et poussent les fabricants de capteurs à faciliter la conception des caméras qui les utilisent. 

Choisir la technologie la mieux adaptée à une application donnée n'est pas simple et, en tout état de cause, constitue un risque d’erreur. Le plus important aujourd'hui est de choisir une plateforme capable de croître et d’évoluer, qui offre une opportunité d'amélioration continue en ayant le moins d'impact possible sur le développement des produits. Les capteurs d'images basés sur la plateforme X-Class offrent la souplesse nécessaire pour évoluer, en supportant des résolutions et des fonctions de pixels supplémentaires, ce qui en permet aux fabricants de caméras de profiter des avantages d'une plateforme commune sur plusieurs générations de caméras.


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